ULAS J1120+0641: quasar com um buraco negro que ultrapassou a galáxia

Um dos buracos negros mais antigos de que há registo poderá ter ultrapassado a sua galáxia de forma irreversível. Observações recentes do quasar ULAS J1120+0641 mostram um sistema tão desequilibrado que mesmo futuras fusões de galáxias dificilmente o conseguirão corrigir.

Apesar de existir um conjunto de potenciais vizinhas em redor, a galáxia anfitriã continua muito aquém do necessário - o que levanta a hipótese de que alguns buracos negros, no universo primordial, tenham disparado no crescimento e nunca tenham abrandado o suficiente para as suas galáxias os apanharem.

Localizar ULAS J1120+0641 com o James Webb Space Telescope (JWST)

Nas imediações de ULAS J1120+0641, imagens do James Webb Space Telescope (JWST) revelaram um campo povoado por galáxias jovens e próximas do buraco negro “sobre-dimensionado”.

Com base nesses dados, Meredith Stone, da University of Arizona, concluiu que, mesmo num ambiente aparentemente mais favorável, a galáxia anfitriã fica condenada a permanecer em desvantagem.

A equipa assinalou 22 fontes nas proximidades; porém, mesmo projetando a massa futura desse conjunto, o sistema continuaria sem regressar a uma proporção considerada normal.

Esse teto eliminou uma solução simples para “salvar” a galáxia e abriu a questão mais ampla: como é que um desequilíbrio tão grande se formou logo de início?

Buracos negros supermassivos e o equilíbrio com a galáxia

Em geral, um buraco negro supermassivo - um colosso com milhões a milhares de milhões de massas solares - cresce em paralelo com a sua galáxia ao longo do tempo cósmico. ULAS J1120+0641 é um quasar: um buraco negro alimentado de forma intensa e extremamente luminoso, observado tal como era há 12,9 mil milhões de anos.

A luz que hoje detetamos partiu quando o universo tinha apenas 770 milhões de anos, numa fase anterior ao aparecimento de muitas galáxias maduras. Encontrar um gigante tão cedo obriga os astrónomos a explicar como é que um “centro” conseguiu disparar no crescimento dentro de um sistema ainda pequeno.

Vizinhas ténues finalmente expostas

O JWST conseguiu captar companheiras muito fracas que as imagens anteriores do Hubble, na sua maioria, não tinham detetado, porque as câmaras mais antigas eram menos sensíveis à luz mais esticada (desviada para o vermelho) que chega de distâncias tão extremas.

Estas galáxias jovens denunciaram-se por um brilho associado ao oxigénio, já que estrelas quentes e recém-nascidas energizam os átomos de oxigénio no gás circundante.

Algumas candidatas pareciam grumosas, mas as cores coincidentes indicavam que eram, muito provavelmente, sistemas relacionados entre si, e não sobreposições aleatórias do mesmo período primitivo.

Este recenseamento mais rico ofereceu, no papel, o melhor plano de “resgate” possível para a galáxia - mas, mesmo assim, a conta da massa não fechou.

O problema do crescimento

A equipa de Stone estimou a massa estelar (isto é, a quantidade de matéria presa em estrelas) tanto para a galáxia anfitriã como para as galáxias vizinhas.

A estimativa central aponta que a anfitriã poderia chegar a cerca de 60 mil milhões de sóis se, com o tempo, as galáxias próximas acabarem por se fundir devido à gravidade. Ainda assim, o buraco negro continuaria a representar cerca de 2,5% da massa estelar da galáxia hoje.

Em galáxias próximas, a razão típica é muito mais baixa, o que deixa ULAS J1120+0641 com aproximadamente 25 vezes “demasiado peso” no buraco negro.

As fusões não vão repor o equilíbrio

Uma análise independente concluiu que a galáxia anfitriã já está a fundir-se com uma companheira brilhante no mesmo sistema primordial. Colisões deste tipo podem acrescentar estrelas e gás, porque, ao misturarem-se, as galáxias empurram matéria para regiões mais densas e favoráveis à formação estelar perto dos seus núcleos.

Mesmo assim, a companheira transporta apenas alguns milhares de milhões de sóis em material estelar quando comparada com o centro desmesurado. Uma fusão ajuda a galáxia a crescer, mas, por si só, não apaga um desfasamento que surgiu tão cedo.

É possível que faltem algumas vizinhas muito ténues, uma vez que até o JWST tem dificuldade em detetar as galáxias mais apagadas a distâncias tão grandes. Gás oculto poderá, mais tarde, dar origem a novas estrelas, mas normalmente só uma parte de qualquer reserva se converte antes de o calor e os ventos expulsarem o restante.

Galáxias mais afastadas no campo circundante deverão estar demasiado longe para se fundirem com a anfitriã, mesmo ao longo de milhares de milhões de anos. No conjunto, estas limitações deixam espaço para pequenos ajustes - mas não para um regresso completo ao equilíbrio habitual entre galáxia e buraco negro.

O combustível cósmico começa a desaparecer

Um levantamento da Penn State University, com 1,3 milhões de galáxias e 8 000 buracos negros em crescimento, descreveu um abrandamento mais geral no universo. Buracos negros que crescem depressa produzem raios X - luz de alta energia gerada por matéria extremamente quente - à medida que o gás aquece ao cair para o interior.

“Parece que o consumo de material pelos buracos negros abrandou bastante à medida que o universo envelheceu”, disse Niel Brandt, professor de astronomia e física na Penn State.

Durante o meio-dia cósmico - a era de crescimento mais intensa do universo - as galáxias continham muito mais gás frio do que hoje. Esse gás alimentava tanto a formação de estrelas como o crescimento dos buracos negros.

Ao longo de milhares de milhões de anos, porém, explosões de supernovas, ventos galácticos e vagas anteriores de formação estelar foram drenando essas reservas de forma contínua.

Esta escassez mais ampla ajuda a perceber porque é que, mesmo em “bairros” ricos, as fusões por si só podem não corrigir uma galáxia gravemente desajustada. O ambiente em redor de ULAS J1120+0641 pode parecer cheio, mas a densidade de vizinhos não cria combustível que já foi gasto.

Lições de ULAS J1120+0641

A hipótese mais inquietante é que este buraco negro acabe por se tornar discreto dentro de uma galáxia modesta, depois de terminar a sua fase luminosa de quasar.

Sem um fornecimento constante de gás fresco, o núcleo perderia brilho, porque é a alimentação que sustenta a emissão intensa que o torna visível.

Nesse cenário, um gigante adormecido poderia permanecer numa galáxia fraca e escapar aos levantamentos, a menos que estivesse suficientemente perto para medições cuidadosas - sugerindo que o universo local pode ainda esconder raridades desalinhadas, em vez de simplesmente não as ter.

ULAS J1120+0641 liga estas ideias, mostrando que alguns buracos negros primordiais cresceram rapidamente antes de o combustível cósmico se tornar mais difícil de encontrar.

Observações futuras - sobretudo mapas mais nítidos do gás oculto e de galáxias companheiras muito ténues - ajudarão a perceber se este sistema está realmente a apagar-se ou se, em vez disso, ainda está incompleto.